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CN115298943A - 半导体驱动装置、半导体装置以及电力变换装置 - Google Patents

半导体驱动装置、半导体装置以及电力变换装置 Download PDF

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CN115298943A
CN115298943A CN202080098627.9A CN202080098627A CN115298943A CN 115298943 A CN115298943 A CN 115298943A CN 202080098627 A CN202080098627 A CN 202080098627A CN 115298943 A CN115298943 A CN 115298943A
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circuit
gate
temperature
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三井阳平
今村泰隆
中岛纯一
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

半导体驱动装置(100)具备：驱动电路(5)，驱动半导体开关元件(11)；无源元件(21)，构成为与半导体开关元件(11)的栅极连接，抑制半导体开关元件(11)的栅极电流；开关元件(22)，与无源元件(21)串联地连接；控制电路(3)，控制开关元件(22)；以及温度检测电路(4)，检测半导体开关元件(11)的温度。控制电路(3)以在由温度检测电路(4)检测的温度高时相比于温度低时更抑制栅极电流的方式，控制开关元件(22)。

Description

半导体驱动装置、半导体装置以及电力变换装置
技术领域
本公开涉及半导体驱动装置、半导体装置以及电力变换装置。
背景技术
在逆变器、转换器等电力变换装置中使用的电力用半导体模块中，在半导体开关元件进行开关动作时，有在半导体开关元件的栅极电压中发生未意图的振动的情况。例如，在感应负载的开关动作中，有在接通/断开时在半导体开关元件的栅极-源极间电压中出现振幅大的振动的情况。另外，在电力用半导体模块中发生支路短路的情况下，也有发生上述振动的情况。
该振动现象是起因于半导体开关元件的开关动作引起的漏极电流以及漏极电压的急剧的变动，由半导体开关元件的寄生电容和与半导体开关元件连接的布线的寄生电感来引起的，被称为“栅极振荡”。栅极振荡对半导体开关元件的氧化膜造成损害，导致半导体开关元件的劣化，并且还成为放射噪声、传输噪声等各种噪声的原因。
为了抑制这样的栅极振荡，一般在半导体开关元件的栅极-源极之间配置电容器(例如参照专利文献1)、或者增加栅极电阻。通过在栅极-源极之间配置电容器来形成低通滤波器，抑制流入到栅极的高频电流，从而抑制栅极振荡。另外，通过增加栅极电阻，抑制栅极电流而抑制栅极振荡。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2018-7373号公报
发明内容
然而，在栅极-源极之间配置电容器(电容)或者增加栅极电阻时，半导体开关元件的开关速度变慢，所以存在虽然能够抑制栅极振荡但开关损失变大这样的背反事项。
因此，本公开的目的在于提供一种能够兼顾半导体开关元件的栅极振荡的抑制和开关损失的抑制的半导体驱动装置、半导体装置以及具备它们的电力变换装置。
本公开的半导体驱动装置具备：驱动电路，驱动半导体开关元件；无源元件，构成为与半导体开关元件的栅极连接，抑制半导体开关元件的栅极电流；开关元件，与无源元件串联地连接；控制电路，控制开关元件；以及温度检测电路，检测半导体开关元件的温度。控制电路以在由温度检测电路检测的温度高时相比于温度低时更抑制栅极电流的方式，控制开关元件。
根据该半导体驱动装置，通过设置上述无源元件，能够抑制在半导体开关元件中产生的栅极振荡。在此，在半导体开关元件中，随着成为高温，栅极阈值电压降低，所以存在接通速度变快的倾向，易于发生栅极振荡。相反地，在低温时，不易发生栅极振荡，所以由于上述无源元件发挥功能引起的开关损失增大的弊病大。因此，在本公开的半导体驱动装置中，通过控制与无源元件串联地连接的开关元件，在半导体开关元件的温度高时，栅极电流被抑制，实现栅极振荡的抑制。另一方面，在温度低时，抑制栅极电流的无源元件的功能被抑制，抑制开关损失的增大。
因此，根据本公开的半导体驱动装置、半导体装置以及电力变换装置，能够兼顾半导体开关元件的栅极振荡的抑制和开关损失的抑制。
附图说明
图1是示出实施方式1所涉及的半导体驱动装置的结构的电路图。
图2是示出半导体开关元件的温度和半导体开关元件的栅极-源极之间的电容的关系的一个例子的图。
图3是示出变形例1所涉及的半导体驱动装置的结构的电路图。
图4是示出变形例2所涉及的半导体驱动装置的结构的电路图。
图5是示出实施方式2所涉及的半导体驱动装置的结构的电路图。
图6是示出实施方式3所涉及的半导体驱动装置的结构的电路图。
图7是示出半导体开关元件的温度和半导体开关元件的栅极电阻值的关系的一个例子的图。
图8是示出实施方式4所涉及的半导体驱动装置的结构的电路图。
图9是在实施方式1所示的半导体驱动装置中以多个级构成电容切换电路以及控制装置的情况的结构图。
图10是示出实施方式6所涉及的半导体装置的结构的电路图。
图11是示出变形例3所涉及的半导体装置的结构的电路图。
图12是示出应用实施方式7所涉及的电力变换装置的电力变换系统的结构的框图。
(附图标记说明)
1、1-1、1-2：电力用半导体模块；2、2A：电容切换电路；3、3A、3B、8：控制电路；3-1、3-2：信号放大电路；4、4A～4C：温度检测电路；5：驱动电路；6、6A、6B：栅极电阻；7：电阻切换电路；11：半导体开关元件；12、12A：热敏电阻；13：漏极端子；14：源极端子；21：电容器；22、23、72：开关元件；31、31A：比较器；32：基准电压源；33～36、71：电阻元件；37：运算放大器；41：电压源；42：分压电阻；81：OR电路；100、100A～100H：半导体驱动装置；110、110A：半导体装置；200：电力变换装置；201：主变换电路；202：控制装置；300：负载；400：电源。
具体实施方式
以下，参照附图来详细说明本公开的实施方式。以下说明多个实施方式，而在申请当时预想了适宜地组合在各实施方式中说明的结构。此外，在图中对同一或者相当部分附加同一符号而不重复其说明。
实施方式1.
图1是示出本公开的实施方式1所涉及的半导体驱动装置的结构的电路图。参照图1，半导体驱动装置100驱动电力用半导体模块1，具备电容切换电路2、控制电路3、温度检测电路4、驱动电路5、以及栅极电阻6。
电力用半导体模块1构成为包括半导体开关元件11、和温度检测电路4的热敏电阻12(后述)。半导体开关元件11是NPN型MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)，半导体开关元件11的漏电极、源电极、以及栅电极分别与漏极端子13、源极端子14、以及栅极电阻6连接。
半导体开关元件11包括宽能带隙半导体。宽能带隙半导体例如是碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、或者金刚石(C)。宽能带隙半导体相比于以往的硅半导体，耐电压性更优良，通过半导体开关元件11包括宽能带隙半导体，能够相比于以往的硅系的元件以一半以下的厚度控制等同的电压。
电容切换电路2包括电容器21和开关元件22。开关元件22与电容器21串联地连接，包括串联连接的电容器21以及开关元件22的电路在半导体开关元件11的栅极-源极之间电连接。
电容器21是抑制流入到半导体开关元件11的栅极的电流的无源元件。由电容器21的电容和布线电感形成LC滤波器(低通滤波器)，抑制流入到半导体开关元件11的栅极的高频电流，由此能够抑制栅极振荡。
开关元件22是NPN型的MOSFET，通过控制电路3驱动。在开关元件22成为导通时，电容器21在半导体开关元件11的栅极-源极之间电连接，电容器21作为滤波器发挥功能。另一方面，在开关元件22成为截止时，电容器21从半导体开关元件11的栅极-源极之间电切断，电容器21不发挥功能。此外，开关元件22也可以是双极性晶体管。
控制电路3包括比较器31和基准电压源32。比较器31的+输入端子与温度检测电路4的分压电阻42(后述)的一端连接，比较器31的-输入端子与基准电压源32的正极连接。基准电压源32的负极与温度检测电路4的分压电阻42的另一端连接。比较器31的输出端子与电容切换电路2的开关元件22的栅电极连接。
基准电压源32输出恒定的基准电压。该控制电路3构成输出分压电阻42的两端的电压和基准电压源32的基准电压的高低比较结果的信号放大电路。在分压电阻42的两端的电压低于基准电压源32的基准电压时，比较器31的输出成为非激活(逻辑低)，开关元件22成为截止。另一方面，在分压电阻42的两端的电压超过基准电压源32的基准电压时，比较器31的输出成为激活(逻辑高)，开关元件22成为导通。
温度检测电路4包括电压源41、分压电阻42、以及热敏电阻12。热敏电阻12设置于电力用半导体模块1内，以能够检测半导体开关元件11的温度的方式，配置于半导体开关元件11的附近。在该实施方式1中，热敏电阻12是随着温度上升而电阻值减少的NTC(NegativeTemperature Coefficient，负温度系数)热敏电阻。
电压源41输出恒定的电压。分压电阻42连接于电压源41的负极与热敏电阻12之间。热敏电阻12的另一端与电压源41的正极连接。即，从电压源41对串联连接的热敏电阻12以及分压电阻42施加恒定的电压。而且，在分压电阻42的热敏电阻12侧连接控制电路3的比较器31的+输入端子，在分压电阻42的电压源41侧连接控制电路3的基准电压源32的负极。
驱动电路5是驱动电力用半导体模块1的半导体开关元件11的电路，例如，通过推挽电路切换半导体开关元件11的栅极电压。栅极电阻6连接于驱动电路5与半导体开关元件11的栅极之间。
在该半导体驱动装置100中，根据利用热敏电阻12的温度检测结果，切换是否使电容切换电路2的电容器21发挥功能。定性地，在半导体开关元件11的温度高的情况下，热敏电阻12的电阻值降低，所以分压电阻42的两端的电压变高。而且，在分压电阻42的两端的电压超过基准电压源32的基准电压时，比较器31的输出成为激活。由此，电容切换电路2的开关元件22成为导通，电容器21在半导体开关元件11的栅极-源极之间电气地作为滤波器发挥功能。由此，能够抑制在高温时易于发生的栅极振荡。
另一方面，在半导体开关元件11的温度低的情况下，热敏电阻12的电阻值上升，所以分压电阻42的两端的电压变低。而且，如果分压电阻42的两端的电压低于基准电压源32的基准电压，则比较器31的输出成为非激活。由此，电容切换电路2的开关元件22成为截止，电容器21从半导体开关元件11的栅极-源极之间电切断，电容器21不作为滤波器发挥功能。由此，在不易发生栅极振荡的低温时，能够抑制半导体开关元件11的开关速度降低，抑制开关损失。
图2是示出半导体开关元件11的温度T和半导体开关元件11的栅极-源极之间的电容值Cgs的关系的一个例子的图。参照图2，区域S1是发生栅极振荡的区域。这样的区域是针对发生栅极振荡的栅极导通时、栅极截止时、或者支路短路发生时能够通过实验、模拟等来事先掌握。
从图可理解，在栅极-源极之间的电容值Cgs是0的情况下，在半导体开关元件11的温度T超过T1时发生栅极振荡，越成为高温，需要越大的电容以抑制栅极振荡。
因此，在本实施方式1中设定基准电压源32的基准电压，以使得在栅极-源极之间的电容值Cgs是0的情况下发生半导体开关元件11的栅极振荡的温度T1下，切换电容切换电路2的开关元件22的导通/截止。具体而言，基准电压源32的基准电压被设定为半导体开关元件11的温度T为T1时的分压电阻42的两端的电压。由此，在温度T为设定温度T1以下时，开关元件22成为截止，在温度T超过设定温度T1时，开关元件22成为导通。
根据半导体开关元件11的动作保证温度T2，设定电容器21的电容值。具体而言，电容器21的电容值被设定为半导体开关元件11的温度T为动作保证温度T2时的、发生栅极振荡的区域S1的上限的电容值C0。由此，如果温度T是动作保证温度T2以下，则能够抑制栅极振荡。
通过成为以上的设定，在由温度检测电路4检测的半导体开关元件11的温度T为设定温度T1以下时，能够抑制半导体开关元件11的栅极-源极之间的电容来抑制开关损失。另一方面，在温度T高于设定温度T1时，能够在不超过动作保证温度T2的范围中通过电容器21抑制栅极振荡。
另外，根据该半导体驱动装置100，构成为根据温度检测电路4的检测结果并通过控制电路3控制电容切换电路2的开关元件22，所以与热敏电阻12的特性无关地，通过调整基准电压源32的基准电压、分压电阻42，能够容易地调整开关元件22的导通/截止定时。
变形例1.
在电容切换电路的开关元件中，也可以使用PNP型的MOSFET或者双极性晶体管。
图3是示出变形例1所涉及的半导体驱动装置的结构的电路图。参照图3，该半导体驱动装置100A在图1所示的半导体驱动装置100的结构中，代替电容切换电路2以及控制电路3，分别具备电容切换电路2A以及控制电路3A。
电容切换电路2A包括电容器21和开关元件23。开关元件23是PNP型的MOSFET，在半导体开关元件11的栅极与电容器21之间与电容器21串联地连接。开关元件23通过控制电路3A驱动。此外，开关元件23也可以是双极性晶体管。
控制电路3A包括比较器31A和基准电压源32。比较器31A的+输入端子与基准电压源32的正极连接，比较器31A的-输入端子与温度检测电路4的分压电阻42的一端连接。
半导体驱动装置100A的其他结构与图1所示的半导体驱动装置100相同。
通过这样的结构，在半导体开关元件11的温度T为设定温度T1(图2)以下时，分压电阻42的两端的电压成为基准电压源32的基准电压以下，比较器31A的输出成为激活(逻辑高)。由此，电容切换电路2A的开关元件23成为截止，电容器21从半导体开关元件11的栅极-源极之间电切断。因此，电容器21不发挥功能，在不易发生栅极振荡的低温时，能够抑制由于半导体开关元件11的开关速度降低引起的开关损失的增大。
另一方面，在温度T高于设定温度T1时，分压电阻42的两端的电压高于基准电压源32的基准电压，比较器31A的输出成为非激活(逻辑低)。由此，开关元件23成为导通，电容器21在半导体开关元件11的栅极-源极之间电连接而作为滤波器发挥功能。因此，能够抑制在高温时易于发生的栅极振荡。
变形例2.
在用于探测电力用半导体模块1的温度的热敏电阻中，也可以使用PTC(PositiveTemperature Coefficient，正温度系数)热敏电阻。
图4是示出变形例2所涉及的半导体驱动装置的结构的电路图。参照图4，该半导体驱动装置100B在图1所示的半导体驱动装置100的结构中，代替控制电路3以及温度检测电路4，而分别具备控制电路3A以及温度检测电路4A。控制电路3A如在上述变形例1中用图3进行的说明。
温度检测电路4A在图1所示的温度检测电路4的结构中，代替热敏电阻12而包括热敏电阻12A。热敏电阻12A也设置于电力用半导体模块1内，配置于半导体开关元件11的附近。热敏电阻12A是随着温度上升而电阻值也上升的PTC热敏电阻。
半导体驱动装置100B的其他结构与图1所示的半导体驱动装置100相同。
在该半导体驱动装置100B中，在半导体开关元件11的温度T为设定温度T1(图2)以下时，分压电阻42的两端的电压成为基准电压源32的基准电压以上，比较器31A的输出成为非激活(逻辑低)。由此，电容切换电路2的开关元件22成为截止，电容器21不作为滤波器发挥功能。因此，能够抑制在低温时开关损失增大。
另一方面，在半导体开关元件11的温度T高于设定温度T1时，分压电阻42的两端的电压低于基准电压源32的基准电压，比较器31A的输出成为激活(逻辑高)。由此，开关元件22成为导通，电容器21作为滤波器发挥功能。因此，能够抑制在高温时易于发生的栅极振荡。
实施方式2.
图5是示出实施方式2所涉及的半导体驱动装置的结构的电路图。参照图5，该半导体驱动装置100C在图1所示的半导体驱动装置100的结构中，代替控制电路3以及温度检测电路4，而分别具备控制电路3B以及温度检测电路4B。
控制电路3B包括运算放大器37和电阻元件33～36。运算放大器37的+输入端子经由电阻元件33与温度检测电路4B的分压电阻42的一端连接。运算放大器37的-输入端子经由电阻元件34与分压电阻42的另一端连接。电阻元件35连接于运算放大器37的-输入端子与半导体开关元件11的源极之间，电阻元件36连接于运算放大器37的输出端子与+输入端子之间。而且，运算放大器37的输出端子与电容切换电路2的开关元件22的栅极连接。
运算放大器37以及电阻元件33～36形成将与分压电阻42的两端的电压对应的信号输出给开关元件11的栅极的差动放大电路。随着分压电阻42的两端的电压变高，运算放大器37的+/-输入端子之间的电压差变大，运算放大器37的输出变大。
温度检测电路4B是在图1所示的温度检测电路4的结构中，使电压源41的极性相反的结构。即，电压源41的正极与分压电阻42连接，电压源41的负极与热敏电阻12连接。
半导体驱动装置100C的其他结构与图1所示的半导体驱动装置100相同。
在该半导体驱动装置100C中，根据利用热敏电阻12的温度检测结果，电容切换电路2的开关元件22作为可变电阻进行动作。具体而言，随着半导体开关元件11的温度变高，热敏电阻12的电阻值降低，分压电阻42的两端的电压变高。由此，运算放大器37的输出变大，开关元件22的电阻值变小。因此，流入到电容器21的电流增加，利用电容器21的栅极振荡抑制功能提高。
另一方面，随着半导体开关元件11的温度降低，热敏电阻12的电阻值上升，分压电阻42的两端的电压降低。由此，运算放大器37的输出变小，开关元件22的电阻值变大，所以流入到电容器21的电流被抑制。因此，在不易发生栅极振荡的低温时，能够抑制由于半导体开关元件11的开关速度降低引起的开关损失增大。
此外，在实施方式1所涉及的半导体驱动装置100中，如图2所示，在半导体开关元件11的温度T超过设定温度T1时，按照比较器31的输出，开关元件22成为导通，所以可以说尤其在比设定温度T1稍微高的温度T下，用于抑制栅极振荡的电容是过剩的。在该实施方式2所涉及的半导体驱动装置100C中，根据半导体开关元件11的温度T，开关元件22的电阻值连续地变化，所以能够根据温度T将适当的电容连接于半导体开关元件11的栅极-源极之间。因此，能够抑制半导体开关元件11的开关速度降低，抑制开关损失。
另外，在该半导体驱动装置100C中，也构成为根据温度检测电路4B的检测结果并通过控制电路3B控制电容切换电路2的开关元件22，所以与热敏电阻12的特性无关地，调整控制电路3B、分压电阻42，由此能够容易地调整开关元件22的电阻值。
此外，虽然未特别图示，关于该实施方式2也可以如上述变形例1，在电容切换电路2的开关元件中使用PNP型的MOSFET或者双极性晶体管。另外，也可以如上述变形例2，在用于探测电力用半导体模块1的温度T的热敏电阻中使用PTC热敏电阻。
实施方式3.
在该实施方式3中，作为抑制流入到半导体开关元件11的栅极的电流的无源元件，使用电阻元件。
图6是示出实施方式3所涉及的半导体驱动装置的结构的电路图。参照图6，该半导体驱动装置100D在图1所示的半导体驱动装置100的结构中，代替电容切换电路2以及控制电路3，而分别具备电阻切换电路7以及控制电路3A。控制电路3A如在上述变形例1中用图3进行的说明。
电阻切换电路7包括电阻元件71和开关元件72。开关元件72与电阻元件71串联地连接，包括串联连接的电阻元件71以及开关元件72的电路与栅极电阻6并联地连接。
电阻元件71是抑制流入到半导体开关元件11的栅极的电流的无源元件。通过将与电阻元件71串联地连接的开关元件72从导通切换为截止，由栅极电阻6以及电阻元件71形成的电路的电阻值变大，所以能够抑制流入到半导体开关元件11的栅极的电流。
半导体驱动装置100D的其他结构与图1所示的半导体驱动装置100相同。
在该半导体驱动装置100D中，根据利用热敏电阻12的温度检测结果，切换是否使电阻切换电路7的电阻元件71发挥功能。定性地，在半导体开关元件11的温度高的情况下，热敏电阻12的电阻值降低，所以分压电阻42的两端的电压变高。而且，在分压电阻42的两端的电压超过基准电压源32的基准电压时，比较器31A的输出成为非激活。由此，电阻切换电路7的开关元件72成为截止，电阻元件71从半导体开关元件11的栅极电切断。由此，半导体开关元件11的栅极电阻上升，在高温时易于发生的栅极振荡被抑制。
另一方面，在半导体开关元件11的温度低的情况下，热敏电阻12的电阻值上升，所以分压电阻42的两端的电压变低。而且，如果分压电阻42的两端的电压低于基准电压源32的基准电压，则比较器31A的输出成为激活。由此，电阻切换电路7的开关元件72成为导通，电阻元件71与半导体开关元件11的栅极电连接，所以半导体开关元件11的栅极电阻降低。由此，在不易发生栅极振荡的低温时，能够抑制半导体开关元件11的开关速度降低，抑制开关损失。
图7是示出半导体开关元件11的温度T和半导体开关元件11的栅极电阻值Rg的关系的一个例子的图。参照图7，区域S2是发生栅极振荡的区域。这样的区域是针对发生栅极振荡的栅极导通时、栅极截止时、或者支路短路发生时能够通过实验、模拟等来事先掌握。
从图可理解，在栅极电阻值Rg是图6所示的栅极电阻6以及电阻元件71的合成电阻值Rc的情况下，在半导体开关元件11的温度T超过T3时发生栅极振荡，越成为高温，需要越增大栅极电阻值Rg以抑制栅极振荡。
因此，在本实施方式3中，在栅极电阻值Rg是合成电阻值Rc的情况下，被设定发生半导体开关元件11的栅极振荡的温度T3。而且，以在该设定温度T3下切换电阻切换电路7的开关元件72的导通/截止的方式，设定基准电压源32的基准电压。具体而言，基准电压源32的基准电压被设定为半导体开关元件11的温度T为T3时的分压电阻42的两端的电压。由此，在温度T为设定温度T3以下时，开关元件72成为导通，在温度T超过设定温度T3时，开关元件72成为截止。
此外，在该实施方式3中，根据半导体开关元件11的动作保证温度T2，设定栅极电阻6的电阻值。具体而言，栅极电阻6的电阻值被设定为半导体开关元件11的温度T为动作保证温度T2时的、发生栅极振荡的区域S2的上限的电阻值R1。由此，如果温度T是动作保证温度T2以下，则能够抑制栅极振荡。
通过成为如以上的设定，在由温度检测电路4检测的半导体开关元件11的温度T为设定温度T3以下时，能够抑制半导体开关元件11的栅极电阻来抑制开关损失。另一方面，在温度T高于设定温度T3时，能够在不超过动作保证温度T2的范围中通过栅极电阻6抑制栅极振荡。
此外，在该半导体驱动装置100D中，也构成为根据温度检测电路4的检测结果并通过控制电路3A控制电阻切换电路7的开关元件72，所以与热敏电阻12的特性无关地，调整基准电压源32的基准电压、分压电阻42，由此能够容易地调整开关元件72的导通/截止定时。
此外，虽然未特别图示，关于该实施方式3也可以在电阻切换电路7的开关元件中使用PNP型的MOSFET或者双极性晶体管。另外，也可以在用于探测电力用半导体模块1的温度T的热敏电阻中使用PTC热敏电阻。
实施方式4.
图8是示出实施方式4所涉及的半导体驱动装置的结构的电路图。参照图8，该半导体驱动装置100E在图6所示的半导体驱动装置100D的结构中，代替控制电路3A以及温度检测电路4，而分别具备控制电路3B以及温度检测电路4C。
控制电路3B如实施方式2的图5中的说明。而且，在该实施方式4中，运算放大器37的输出端子与电阻切换电路7的开关元件72的栅极连接。
温度检测电路4C在图5所示的温度检测电路4B的结构中，代替热敏电阻12而包括热敏电阻12A。热敏电阻12A如在图4中也说明的那样，是PTC热敏电阻。
半导体驱动装置100E的其他结构与图6所示的半导体驱动装置100D相同。
在该半导体驱动装置100E中，根据利用热敏电阻12A的温度检测结果，电阻切换电路7的开关元件72作为可变电阻进行动作。具体而言，随着半导体开关元件11的温度变高，热敏电阻12A的电阻值上升，分压电阻42的两端的电压变低。由此，运算放大器37的输出变小，开关元件72的电阻值变大。由此，栅极电阻6以及电阻元件71的合成电阻值变大，半导体开关元件11的栅极电阻上升。因此，半导体开关元件11的开关时的漏极电流以及漏极电压的变动率降低，栅极振荡被抑制。
另一方面，随着半导体开关元件11的温度降低，热敏电阻12A的电阻值降低，分压电阻42的两端的电压变高。由此，运算放大器37的输出变大，开关元件72的电阻值变小。由此，栅极电阻6以及电阻元件71的合成电阻值也变小，半导体开关元件11的栅极电阻降低。因此，在不易发生栅极振荡的低温时，能够抑制由于半导体开关元件11的开关速度降低引起的开关损失增大。
此外，在实施方式3所涉及的半导体驱动装置100D中，如图7所示，在半导体开关元件11的温度T超过设定温度T3时，按照比较器31A的输出，开关元件72成为截止，所以可以说尤其在比设定温度T3稍微高的温度T下，用于抑制栅极振荡的栅极电阻值Rg过剩。在该实施方式4所涉及的半导体驱动装置100E中，根据半导体开关元件11的温度T，开关元件72的电阻值连续地变化，所以能够根据温度T成为适当的栅极电阻值。因此，能够抑制半导体开关元件11的开关速度降低，抑制开关损失。
此外，虽然未特别图示，关于该实施方式4也可以在电阻切换电路7的开关元件中使用PNP型的MOSFET或者双极性晶体管。另外，也可以在用于探测电力用半导体模块1的温度T的热敏电阻中使用PTC热敏电阻。
实施方式5.
在上述各实施方式以及变形例中，也可以以多个级构成电容切换电路2(2A)以及电阻切换电路7。在该情况下，针对多个级的电容切换电路2(2A)或者多个级的电阻切换电路7的每一个设置控制电路3(3A、3B)，针对每个控制电路3(3A、3B)使基准电压源32的基准电压、包括运算放大器37的差动放大电路的特性不同，由此能够以多个阶段或者在更宽的范围连续地变更电容切换电路2(2A)的电容值或者电阻切换电路7的电阻值。
作为一个例子，图9是在实施方式1所示的半导体驱动装置中以多个级构成电容切换电路2以及控制电路3的情况的结构图。此外，在该图9中，例示将电容切换电路2以及控制电路3包括2级的情况。
参照图9，该半导体驱动装置100F在图1所示的实施方式1所涉及的半导体驱动装置100中，电容切换电路2包括电容切换电路2-1、2-2，控制电路3包括控制电路3-1、3-2。
电容切换电路2-1、2-2在半导体开关元件11的栅极-源极之间并联地连接。电容切换电路2-1、2-2各自的结构与图1所示的电容切换电路2相同。控制电路3-1、3-2分别与电容切换电路2-1、2-2对应地设置。控制电路3-1、3-2各自的结构也与图1所示的控制电路3相同。此外，控制电路3-1、3-2的输入侧与温度检测电路4的分压电阻42的两端连接。即，在该例子中，温度检测电路4对控制电路3-1、3-2来说是共同的。
在该半导体驱动装置100F中，针对控制电路3-1、3-2的每一个使基准电压源32的基准电压不同，由此能够通过电容切换电路2-1、2-2使连接于半导体开关元件11的栅极-源极之间的电容值成为多个阶段。因此，能够抑制半导体开关元件11的开关速度降低，抑制开关损失。
实施方式6.
为了实现以大电流进行开关动作的电力用半导体装置，搭载多个电力用半导体模块而进行并联动作。在该实施方式6中，示出在具备并联连接的多个电力用半导体模块的半导体装置中驱动各电力用半导体模块的半导体驱动装置的结构。
图10是示出实施方式6所涉及的半导体装置的结构的电路图。参照图10，该半导体装置110具备多个电力用半导体模块1-1、1-2、…。此外，以下代表性地说明包括2个电力用半导体模块1-1、1-2的情况。
半导体装置110还具备半导体驱动装置100G-1、100G-2、驱动电路5、以及控制电路8。半导体驱动装置100G-1、100G-2分别与电力用半导体模块1-1、1-2对应地设置。半导体驱动装置100G-1、100G-2分别包括电容切换电路2、温度检测电路4、以及栅极电阻6。温度检测电路4包括电压源41、分压电阻42、以及热敏电阻12。关于电容切换电路2、温度检测电路4、以及栅极电阻6，如在图1中的说明。
控制电路8包括信号放大电路3-1、3-2和OR电路81。信号放大电路3-1、3-2分别与半导体驱动装置100G-1、100G-2对应地设置。信号放大电路3-1、3-2分别与图1所示的控制电路3的结构相同。即，信号放大电路3-1、3-2分别包括比较器31和基准电压源32(未图示)。而且，信号放大电路3-1输出半导体驱动装置100G-1的温度检测电路4中的分压电阻42的两端的电压和基准电压源32的基准电压的高低比较结果。同样地，信号放大电路3-2输出半导体驱动装置100G-2中的分压电阻42的两端的电压和基准电压源32的基准电压的高低比较结果。
OR电路81进行来自信号放大电路3-1、3-2的输出的逻辑或(OR)运算，将其运算结果输出给各半导体驱动装置100G-1、100G-2的电容切换电路2的开关元件22。
设为针对半导体驱动装置100G-1、100G-2的每一个，根据信号放大电路3-1的输出结果来控制半导体驱动装置100G-1的电容切换电路2，根据信号放大电路3-2的输出结果来控制半导体驱动装置100G-2的电容切换电路2时，由于电力用半导体模块1-1、1-2的温度的偏差、温度检测误差等，存在在半导体驱动装置100G-1、100G-2中电容切换电路2进行相互不同的动作的可能性。
在该半导体装置110中，汇集半导体驱动装置100G-1、100G-2的控制电路，在半导体驱动装置100G-1、100G-2中的任意装置中，在温度检测电路4中的分压电阻42的两端的电压超过基准电压源32的基准电压时，在所有半导体驱动装置100G-1、100G-2中电容切换电路2的开关元件22成为导通。由此，在半导体驱动装置100G-1、100G-2中，能够使电容切换电路2的状态相互对齐，能够抑制在电力用半导体模块1-1、1-2之间产生电流失衡。
此外，在上述实施方式1以及变形例1、2中，根据半导体开关元件11的栅极导通时、栅极截止时、或者支路短路发生时的栅极振荡条件，设定了切换开关元件22的导通/截止的设定温度T1以及电容器21的电容值C0。在实施方式3中也根据半导体开关元件11的栅极导通时、栅极截止时、或者支路短路发生时的栅极振荡条件，设定了切换开关元件72的导通/截止的设定温度T3以及栅极电阻6的电阻值R1。在该实施方式6中，也可以根据并联连接的电力用半导体模块1-1、1-2的半导体开关元件11之间的振荡条件，设定上述设定温度T1、T3、电容器21的电容值C0、以及栅极电阻6的电阻值R1。
变形例3.
在上述实施方式6中，针对半导体驱动装置100G-1、100G-2的每一个设置了电容切换电路2，但也可以在半导体驱动装置100G-1、100G-2中汇集电容切换电路2。
图11是示出变形例3所涉及的半导体装置的结构的电路图。此外，在该图11中也代表性地说明包括2个电力用半导体模块1-1、1-2的情况。
参照图11，该半导体装置110A具备电力用半导体模块1-1、1-2、半导体驱动装置100H-1、100H-2、电容切换电路2、驱动电路5、栅极电阻6B、以及控制电路8。
半导体驱动装置100H-1、100H-2分别包括温度检测电路4和栅极电阻6A。温度检测电路4如在图1中的说明。栅极电阻6A连接于对应的半导体开关元件11的栅极与对半导体驱动装置100H-1、100H-2来说共同的栅极电阻6B之间。栅极电阻6A、6B的串联电阻值与上述各实施方式所示的栅极电阻6的电阻值相同。
电容切换电路2对半导体驱动装置100H-1、100H-2来说共同地设置，连接于和各半导体驱动装置100H-1、100H-2的栅极电阻6A连接的栅极线与电力用半导体模块1-1、1-2的源极之间。电容切换电路2包括电容器21和开关元件22。电容切换电路2的结构如在图1中的说明。
在该半导体装置110A中，不仅汇集半导体驱动装置100H-1、100H-2的控制电路，而且还汇集电容切换电路2。而且，在半导体驱动装置100H-1、100H-2中的任意装置中，在温度检测电路4中的分压电阻42的两端的电压超过基准电压源32的基准电压时，电容切换电路2的开关元件22成为导通。由此，在所有半导体驱动装置100H-1、100H-2中，在半导体开关元件11的栅极-源极之间连接共同的电容器21。
根据该变形例3，关于半导体驱动装置100H-1、100H-2，将电容切换电路2也进行汇集，所以还能够抑制构成电容切换电路2的元件(电容器21以及开关元件22)的失衡。
此外，并联连接的电力用半导体模块1-1、1-2的半导体开关元件11一般发生等同的损失，温度是等同的。因此，虽然未特别图示，但是也可以汇集温度检测电路4。例如，在图11所示的半导体装置110A的结构中，也可以仅在半导体驱动装置100H-1、100H-2中的任意一个设置温度检测电路4，根据该温度检测电路4的温度检测结果，控制对半导体驱动装置100H-1、100H-2来说共同的电容切换电路2。
实施方式7.
该实施方式7是将上述各实施方式以及各变形例所涉及的半导体驱动装置100、100A～100F或者半导体装置110、110A应用于电力变换装置的例子。本公开不限定于特定的电力变换装置，而以下作为实施方式7说明将上述半导体驱动装置100、100A～100F或者半导体装置110、110A应用于三相的逆变器的情况。
图12是示出应用了实施方式7所涉及的电力变换装置的电力变换系统的结构的框图。
参照图12，该电力变换系统具备电力变换装置200、负载300、以及电源400。电源400是直流电源，对电力变换装置200供给直流电力。电源400能够包括各种例子，例如能够包括直流系统、太阳能电池、蓄电池等，并且也能够包括与交流系统连接的整流电路、AC/DC转换器等。另外，也可以通过将从直流系统输出的直流电力变换为预定的电力的DC/DC转换器构成电源400。
电力变换装置200是连接于电源400与负载300之间的三相的逆变器，将从电源400供给的直流电力变换为交流电力，对负载300供给交流电力。电力变换装置200构成为包括：主变换电路201，将直流电力变换为交流电力而输出；以及控制装置202，将控制主变换电路201的控制信号输出给主变换电路201。
负载300是通过从电力变换装置200供给的交流电力被驱动的三相的电动机。此外，负载300不限于特定的用途，是搭载于各种电气设备的电动机，例如被用作面向混合动力汽车、电动汽车、铁路车辆、电梯、或者空调设备的电动机。
以下详细说明电力变换装置200。主变换电路201构成为包括半导体开关元件和二极管(未图示)，通过半导体开关元件进行开关，将从电源400供给的直流电力变换为交流电力，提供给负载300。主变换电路201的具体的电路结构有各种例子，而本实施方式7中的主变换电路201是2电平的三相全桥电路，能够包括6个半导体开关元件和与各个半导体开关元件反并联的6个二极管。6个开关元件按每2个开关元件串联连接而构成上下支路，各上下支路构成全桥电路的各相(U相、V相、W相)。而且，各上下支路的输出端子、即主变换电路201的3个输出端子与负载300连接。
主变换电路201的各半导体开关元件与上述各实施方式以及各变形例所示的半导体开关元件11相当。而且，主变换电路201还具备与上述各实施方式以及各变形例中的任意一个相当的半导体驱动装置100、100A～100F或者半导体装置110、110A。
另外，主变换电路201具备驱动各半导体开关元件的驱动电路5(图1等)。驱动电路5生成驱动主变换电路201的半导体开关元件的驱动信号，提供给主变换电路201的半导体开关元件的控制电极。具体而言，依照来自后述控制装置202的控制信号，将使半导体开关元件成为导通状态的驱动信号和使半导体开关元件成为截止状态的驱动信号，输出给各半导体开关元件的控制电极。在将半导体开关元件维持为导通状态的情况下，驱动信号是半导体开关元件的阈值电压以上的电压信号(导通信号)，在将半导体开关元件维持为截止状态的情况下，驱动信号成为半导体开关元件的阈值电压以下的电压信号(截止信号)。
控制装置202以对负载300供给期望的电力的方式，控制主变换电路201的半导体开关元件。具体而言，控制装置202根据应提供给负载300的电力，计算主变换电路201的各半导体开关元件应成为导通状态的时间(导通时间)。例如，控制装置202能够通过根据应输出的电压来调制半导体开关元件的导通时间的PWM(Pulse width modulation，脉冲宽度调制)控制，控制主变换电路201。而且，控制装置202以在各时间点向应成为导通状态的半导体开关元件输出导通信号并向应成为截止状态的半导体开关元件输出截止信号的方式，向主变换电路201具备的驱动电路5输出控制指令(控制信号)。驱动电路5依照该控制信号，作为驱动信号向各半导体开关元件的控制电极输出导通信号或者截止信号。
在本实施方式7所涉及的电力变换装置中，主变换电路201具备上述各实施方式以及各变形例的任意一个中的半导体驱动装置100、100A～100F或者半导体装置110、110A，所以能够实现与上述各实施方式以及各变形例同样的效果。
另外，在上述中，说明了向2电平的三相逆变器的应用例，但本公开不限于此，能够应用于各种电力变换装置。在本实施方式中，设为2电平的电力变换装置，但也可以是3电平、多电平的电力变换装置，在对单相负载供给电力的情况下也可以在单相的逆变器中应用本公开。另外，在对直流负载等供给电力的情况下，还能够将本公开应用于DC/DC转换器、AC/DC转换器。
另外，本公开的电力变换装置不限定于上述的负载为电动机的情况，例如，能够用作放电加工机、激光加工机、或者感应加热烹调器、非接触供电系统的电源装置，进而，还能够用作太阳能发电系统、蓄电系统等的功率调节器。
此外，在上述各实施方式以及各变形例中，半导体开关元件11由NPN型MOSFET构成，但也可以用NPN型的双极性晶体管(IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)等)、或者PNP型的MOSFET或者双极性晶体管构成。此外，在使用PNP型的半导体开关元件的情况下，关于使用比较器31、31A的控制电路，使极性反转而使用，关于使用运算放大器37的控制电路，代替NTC热敏电阻而使用PTC热敏电阻等即可。
另外，在上述中，半导体开关元件11包括宽能带隙半导体，但本公开的应用范围不限定于驱动包括宽能带隙半导体的半导体开关元件的例子，还包括驱动以往的硅系的半导体开关元件的例子。
另外，在上述各实施方式以及各变形例中，利用热敏电阻12、12A的温度依赖性，变更半导体开关元件11的栅极-源极之间的电容值或者与栅极连接的电阻值，但也可以代替热敏电阻而使用具有导通电压的温度特性的二极管、热电偶等。
另外，在上述各实施方式以及各变形例中使用的比较器31、31A或者运算放大器37也可以通过利用IC(Integrated Circuit，集成电路)等的数字控制来构成。
本次公开的各实施方式还预想了在技术上不矛盾的范围中适宜地进行组合来实施。而且，应认为本次公开的实施方式在所有方面仅为例示而不是限制性的。通过本公开表示的技术范围并非通过上述的实施方式的说明而是通过权利要求书表示，意图包括与权利要求书均等的意义以及范围内的所有变更。

Claims (10)

1.一种半导体驱动装置，具备：
驱动电路，驱动半导体开关元件；
无源元件，构成为与所述半导体开关元件的栅极连接，抑制所述半导体开关元件的栅极电流；
开关元件，与所述无源元件串联连接；
控制电路，控制所述开关元件；以及
温度检测电路，检测所述半导体开关元件的温度，
所述控制电路控制所述开关元件，以使得在由所述温度检测电路检测的温度高时，与所述温度低时相比更抑制所述栅极电流。
2.根据权利要求1所述的半导体驱动装置，其中，
所述无源元件是连接于所述半导体开关元件的栅极与源极之间的电容器，
所述开关元件在所述半导体开关元件的栅极与源极之间与所述无源元件串联地连接，
所述控制电路控制所述开关元件，以使得在由所述温度检测电路检测的温度高时，与所述温度低时相比使所述开关元件的电阻更低。
3.根据权利要求1所述的半导体驱动装置，其中，
还具备栅极电阻，该栅极电阻连接于所述半导体开关元件的栅极与所述驱动电路之间，
所述无源元件是电阻元件，
包括所述电阻元件以及所述开关元件的电路与所述栅极电阻并联连接，
所述控制电路控制所述开关元件，以使得在由所述温度检测电路检测的温度高时，与所述温度低时相比使所述开关元件的电阻更高。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的半导体驱动装置，其中，
所述控制电路包括放大所述温度检测电路的输出的信号放大电路。
5.根据权利要求4所述的半导体驱动装置，其中，
所述温度检测电路包括：
热敏电阻；
分压电阻，与所述热敏电阻串联连接；以及
电压源，对包括所述热敏电阻以及所述分压电阻的电路施加恒定电压，
所述信号放大电路包括：
基准电压源，输出基准电压；以及
比较器，将与所述分压电阻的两端的电压和所述基准电压的高低比较结果对应的信号，输出给所述开关元件的栅极。
6.根据权利要求4所述的半导体驱动装置，其中，
所述温度检测电路包括：
热敏电阻；
分压电阻，与所述热敏电阻串联连接；以及
电压源，对包括所述热敏电阻以及所述分压电阻的电路施加恒定电压，
所述信号放大电路包括差动放大电路，该差动放大电路将与所述分压电阻的两端的电压对应的信号输出给所述开关元件的栅极，
所述开关元件构成为根据来自所述差动放大电路的信号的大小而电阻值产生变化。
7.一种半导体装置，具备：
相互并联连接的多个半导体开关元件；
多个半导体驱动装置，与所述多个半导体开关元件对应地设置；以及
驱动电路，驱动所述多个半导体开关元件，
所述多个半导体驱动装置的各半导体驱动装置包括：
无源元件，构成为与对应的半导体开关元件的栅极连接，抑制所述对应的半导体开关元件的栅极电流；
开关元件，与所述无源元件串联连接；以及
温度检测电路，检测所述对应的半导体开关元件的温度，
所述半导体装置还具备控制电路，该控制电路控制所述多个半导体驱动装置的各半导体驱动装置中的所述开关元件，
所述控制电路控制所述多个半导体驱动装置的各半导体驱动装置中的所述开关元件，以使得在所述多个半导体驱动装置的各半导体驱动装置中，由所述温度检测电路检测的温度高时，与所述温度低时相比更抑制所述栅极电流。
8.一种半导体装置，具备：
相互并联连接的多个半导体开关元件；
多个温度检测电路，与所述多个半导体开关元件对应地设置，分别检测对应的半导体开关元件的温度；
驱动电路，驱动所述多个半导体开关元件；
无源元件，构成为与所述多个半导体开关元件的各半导体开关元件的栅极连接，抑制所述多个半导体开关元件的各半导体开关元件的栅极电流；
开关元件，与所述无源元件串联连接；以及
控制电路，控制所述开关元件，
所述控制电路控制所述开关元件，以使得在所述多个半导体开关元件的各半导体开关元件中，由对应的温度检测电路检测的温度高时，与所述温度低时相比更抑制所述栅极电流。
9.一种电力变换装置，具备：
主变换电路，构成为包括半导体开关元件以及权利要求1至6中的任意一项所述的半导体驱动装置；以及
控制装置，构成为生成控制所述主变换电路的控制信号并输出给所述主变换电路。
10.一种电力变换装置，具备：
主变换电路，构成为包括权利要求7或者8所述的半导体装置；以及
控制装置，构成为生成控制所述主变换电路的控制信号并输出给所述主变换电路。
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